CN211173920U - 一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头，主要包括中心管、水密接头、半圆键、钻头外管、加热棒及钻头体，钻头体呈圆台形，钻头体的下端部沿径向向外延伸形成环形凸台，钻头体内部具有圆锥形空腔，圆锥形空腔的内壁与环形凸台的外壁之间通过圆弧面平滑过渡连接，圆锥形空腔的内壁上均匀布置有V型槽，V型槽从圆锥形空腔内壁延伸至环形凸台外壁上；本实用新型的钻头整体结构设计为内锥形，内锥形表面加工有V型槽，在钻进时，V型槽增加了钻头的传热面积，同时当钻头回转时，V型槽将带动钻头下方的水体发生转动，使钻头与孔底融水和融水与冰层的传热由常规的热传导变为对流换热，大大提高换热效率。

Description

一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头

技术领域

本实用新型涉及一种热融钻头，更具体地说涉及一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头。

背景技术

热融钻进方法是利用冰层熔点低的特性，采用高热表面接触冰层，使冰融化为水，从而成孔的钻探方法，过去几十年间，采用热融钻探技术在山岳冰川和极地冰盖进行了大量钻探，为人类认识和了解冰川提供了重要的技术手段。目前热融钻头的设计多采用在铜或铝基体内埋置加热元件实现加热，钻头依靠热传导将热量传递至冰层实现融冰钻进，但热传导效率较低，且受到加热元件结构尺寸限制，加热元件无法布置在钻头底部，容易在钻头底部形成冷端，因此钻进时，底部热量少，上部热量大，大部分热量用于对钻孔进行扩孔，且目前的钻头设计均为外锥形，热量通过钻头向钻孔外部散失，热损失大，严重影响钻进效率。

实用新型内容

针对现有热融钻头钻进效率低的问题，本实用新型的目的是提供一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头，钻头整体结构设计为内锥形，内锥形表面上加工有V型槽，在钻进时，V型槽增加了钻头的传热面积，同时当钻头回转时，V型槽将带动钻头下方的水体发生转动，使钻头与孔底融水的传热由常规的热传导变为对流换热，大大提高换热效率。且内锥形设计可保证热量向钻孔内部传递，提高能量利用率，降低热损失，从而提高热融钻头钻进效率。

本实用新型为实现上述目的采用的技术方案是：一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头，其特征在于，包括：中心管、水密接头、螺母、半圆键、第一密封圈、钻头外管、加热棒、连接板、隔热垫、钻头体、第二密封圈、沉头螺钉和定位销，所述钻头外管为一端敞口，另一端封闭的中空圆柱体，且封闭端的端面中心开设有供中心管穿过的过孔，该过孔的孔壁上设置有第一键槽；所述中心管设置在钻头外管内部且与其同轴布置，中心管的下部采用螺纹连接的方式固定在连接板上，中心管的上部穿过位于钻头外管封闭端端面中心的过孔延伸至钻头外管外部，中心管上设置有与第一键槽匹配的第二键槽，第二键槽和第一键槽之间安装有半圆键，同时在中心管与钻头外管的接触处设置有第一密封圈；所述连接板和钻头体顶部通过定位销相连，并通过沉头螺钉固定在一起，连接板和钻头体之间固定有隔热垫；所述钻头体呈圆台形，钻头体的下端部沿径向向外延伸形成环形凸台，钻头体内部具有圆锥形空腔，圆锥形空腔的内壁与环形凸台的外壁之间通过圆弧面平滑过渡连接，圆锥形空腔的内壁上均匀布置有V型槽，V型槽从圆锥形空腔内壁延伸至环形凸台外壁上；钻头外管的敞口端端面抵靠在钻头体下端部的环形凸台的顶端面上，并在配合处设置有第二密封圈；所述加热棒插设在钻头体内，同时加热棒通过电线与水密接头电连接；所述水密接头通过螺纹配合的方式固定在钻头外管上；所述螺母套设在中心管上部并与中心管螺纹配合。

进一步，所述隔热垫与钻头外管同轴设置，且隔热垫的外边缘与钻头外管内壁接触，隔热垫、钻头体和钻头外管形成封闭空间。

进一步，所述钻头体为纯铜钻头体，钻头外管为不锈钢钻头外管，连接板为不锈钢连接板。

进一步，位于圆锥形空腔内壁和圆弧面上的V型槽截面相同，位于环形凸台外壁上的V型槽截面从下向上逐渐变小。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：本实用新型的钻头整体结构设计为内锥形，内锥形表面上加工有V型槽，在钻进时，V型槽增加了钻头的传热面积，同时当钻头回转时，V型槽将带动钻头下方的水体发生转动，使钻头与孔底融水和融水与冰层的传热由常规的热传导变为对流换热，大大提高换热效率。

进一步的有益效果为：本实用新型的钻头体采用具有高导热率的纯铜，而其他与钻头体接触部件采用具有低导热率的不锈钢，保证了热量主要通过钻头内锥形表面向钻孔内部传递，提高能量利用率，降低热损失，因此本实用新型有利于提高热融钻头钻进效率。

位于钻头底部圆弧面上的V型槽可作为导水通道，将内锥形内部冰层融化的水从钻头内部引出，融水流出过程中，将进一步与冰层发生热交换，有助于融冰过程。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型所述的一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头的剖视图一；

图2为本实用新型所述的一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头的剖视图二；

图3为本实用新型所述的一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头的轴测图；

图4为本实用新型中钻头体的结构示意图。

图5为本实用新型中钻头体的仰视图。

图中各标记如下：1-中心管，2-水密接头，3-螺母，4-半圆键，5-第一密封圈，6-钻头外管，7-加热棒，8-连接板，9-隔热垫，10-钻头体，11-第二密封圈，12-沉头螺钉，13-定位销。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，限定有“第一”及“第二”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

如图1、图2、图3、图4及图5所示，一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头包括中心管1、水密接头2、螺母3、半圆键4、第一密封圈5、钻头外管6、加热棒7、连接板8、隔热垫9、钻头体10、第二密封圈11、沉头螺钉12和定位销13，所述钻头外管6为一端敞口，另一端封闭的中空圆柱体，且封闭端的端面中心开设有供中心管1穿过的过孔，该过孔的孔壁上设置有第一键槽；所述中心管1设置在钻头外管6内部且与其同轴布置，中心管1的下部采用螺纹连接的方式固定在连接板8上，中心管1的上部穿过位于钻头外管6封闭端端面中心的过孔延伸至钻头外管6外部与钻具连接，中心管1上设置有与第一键槽匹配的第二键槽，第二键槽和第一键槽之间安装有半圆键4，保证钻头转动时中心管1和钻头外管6同步转动，同时在中心管1与钻头外管6的接触处设置有第一密封圈5，用于实现密封；所述连接板8采用沉头螺钉12固定在钻头体10顶部，两者之间通过定位销13进行准确定位，连接板8和钻头体10之间固定有隔热垫9，隔热垫9与钻头外管6同轴设置，且隔热垫9的外边缘与钻头外管6内壁接触，隔热垫9、钻头体10和钻头外管6形成封闭空间，并在该封闭空间内部填充如珍珠岩、岩棉及石棉等隔热材料，以降低无效热量散失；所述钻头体10呈圆台形，钻头体10的下端部沿径向向外延伸形成环形凸台，钻头体10内部具有圆锥形空腔，圆锥形空腔的内壁与环形凸台的外壁之间通过圆弧面平滑过渡连接，圆锥形空腔的内壁上均匀布置有V型槽，V型槽从圆锥形空腔内壁延伸至环形凸台外壁上，位于圆锥形空腔内壁和圆弧面上的V型槽截面相同，位于环形凸台外壁上的V型槽截面从下向上逐渐变小，在钻头旋转钻进时，较小的V型槽可尽量减少对钻头外部水的扰动，降低热损失；钻头外管6的敞口端端面抵靠在钻头体10下端部的环形凸台的顶端面上，并在配合处设置有第二密封圈11，用于实现密封；所述加热棒7插设在钻头体10内，同时加热棒7通过电线与水密接头2电连接；所述水密接头2通过螺纹配合的方式固定在钻头外管6上；所述螺母3套设在中心管1上部并与中心管1螺纹配合，锁紧螺母3将钻头外管6压紧在钻头体10上。

其中，所述钻头体10材料为具有高导热率的纯铜，钻头外管6及连接板8为具有低导热率的不锈钢。

其中，所述第一密封圈5和第二密封圈11均为耐高温密封圈，耐温能力不低于200℃。

本实用新型提出的冰层钻进用内锥形回转热融钻头工作过程：

采用本实用新型的冰层钻进用内锥形回转热融钻头进行冰层热融钻进前，首先将该钻头的中心管1与位于钻头上部的钻具连接，保证钻具动力通过中心管1传递至本实用新型的钻头；其次钻头的水密接头2与钻具供电线连接，同时水密接头2通过电线与加热棒7连接，保证加热棒7电力供应。

进行冰层热融钻进时，首先开启加热棒7电力供应，使加热棒7发热，并通过钻头体10将热量传递至钻头下方冰层内，由于钻头体10采用具有高导热率的纯铜材料，而钻头外管6和连接板8均采用具有低导热率的不锈钢材料，且钻头体10和连接板8间安装有隔热垫9，因此可保证热量主要通过钻头体10圆锥形空腔内壁和底部圆弧面向冰层传递，减少热损失；当热融钻头全部进入冰层后，开启回转动力使钻头回转，上部钻具的回转动力由中心管1通过螺纹传递至连接板8，然后通过沉头螺钉12和定位销13传递至钻头体10，同时中心管1通过半圆键4与钻头外管6配合，保证中心管1、钻头体10和钻头外管6同步转动；钻进过程中，孔内充满由冰融化而形成的融水，因此当钻头转动时，钻头体10的圆锥形空腔内壁与孔壁冰层间存在融水将在钻头体10的带动下也将发生旋转，由于钻头体10上V型槽的存在，将大大加强该部分融水的流动速度，通过控制钻头转速，可保证该部分融水处于紊流状态，此时融水与钻头体10之间及融水与冰层之间均为对流换热状态，钻头体10的热量可及时传递至融水内，并进一步传递至冰层内实现融冰钻进；位于钻头体10底部的圆弧面上的V型槽可作为导水通道，将圆锥形空腔内部冰层融化的水从钻头内部引出，融水流出过程中，将进一步与冰层发生热交换，有助于融冰过程。

钻进时，由于钻头外管6下部通过第二密封圈11与钻头体10密封，钻头外管6上部通过第一密封圈5与中心管1密封，因此钻头外管6内部为密封腔体，钻进时融水无法进入钻头外管6内部，因此加热棒7可采用常规不防水加热棒，降低了加工成本。

钻进时，可在钻头体10的外表面，钻头外管6和隔热垫9围成的封闭空间内填充隔热材料，如珍珠岩、岩棉或石棉，进一步降低钻头体热量损失。

钻进结束后，停止钻头回转和电力供应，将钻头连同位于其上部的钻具提出孔内即可。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种冰层钻进用内锥形回转热融钻头，其特征在于，包括：中心管、水密接头、螺母、半圆键、第一密封圈、钻头外管、加热棒、连接板、隔热垫、钻头体、第二密封圈、沉头螺钉和定位销，所述钻头外管为一端敞口，另一端封闭的中空圆柱体，且封闭端的端面中心开设有供中心管穿过的过孔，该过孔的孔壁上设置有第一键槽；所述中心管设置在钻头外管内部且与其同轴布置，中心管的下部采用螺纹连接的方式固定在连接板上，中心管的上部穿过位于钻头外管封闭端端面中心的过孔延伸至钻头外管外部，中心管上设置有与第一键槽匹配的第二键槽，第二键槽和第一键槽之间安装有半圆键，同时在中心管与钻头外管的接触处设置有第一密封圈；所述连接板和钻头体顶部通过定位销相连，并通过沉头螺钉固定在一起，连接板和钻头体之间固定有隔热垫；所述钻头体呈圆台形，钻头体的下端部沿径向向外延伸形成环形凸台，钻头体内部具有圆锥形空腔，圆锥形空腔的内壁与环形凸台的外壁之间通过圆弧面平滑过渡连接，圆锥形空腔的内壁上均匀布置有V型槽，V型槽从圆锥形空腔内壁延伸至环形凸台外壁上；钻头外管的敞口端端面抵靠在钻头体下端部的环形凸台的顶端面上，并在配合处设置有第二密封圈；所述加热棒插设在钻头体内，同时加热棒通过电线与水密接头电连接；所述水密接头通过螺纹配合的方式固定在钻头外管上；所述螺母套设在中心管上部并与中心管螺纹配合。

2.根据权利要求1所述的冰层钻进用内锥形回转热融钻头，其特征在于：所述隔热垫与钻头外管同轴设置，且隔热垫的外边缘与钻头外管内壁接触，隔热垫、钻头体和钻头外管形成封闭空间。

3.根据权利要求1所述的冰层钻进用内锥形回转热融钻头，其特征在于：所述钻头体为纯铜钻头体，钻头外管为不锈钢钻头外管，连接板为不锈钢连接板。

4.根据权利要求1所述的冰层钻进用内锥形回转热融钻头，其特征在于：位于圆锥形空腔内壁和圆弧面上的V型槽截面相同，位于环形凸台外壁上的V型槽截面从下向上逐渐变小。

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